CN111814312B - 一种空气源热泵供暖系统短期测试典型工况的选取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空气源热泵供暖系统短期测试典型工况的选取方法，本方法将温湿度多维耦合因素“Ta‑RH”降维为“综合室外环境温度Ta'”单一因素，以Ta'为特征参数综合分析温湿度多维耦合因素“Ta‑RH”的分布频率。计算不同地域的不同综合室外环境温度Bin段内机组负荷率依据热泵机组负荷率的分布情况，将供暖季Ta'全部Bin段分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个区间段；统计不同测试典型工况室外温度、相对湿度下四分位数和上四分位数的整数数值TaL、TaU、RHL、RHU。本发明具有良好的适用性，不受地域和气象条件限制；科学选取空气源热泵供暖系统短期测试典型工况；降低空气源热泵性能测试工作的经济、时间成本，促进空气源热泵技术的可持续发展。
Description
技术领域
本发明涉及一种空气源热泵供暖系统短期测试典型工况的选取方法，属于空气源热泵性能测试领域。
背景技术
自上世纪80年代以来，空气源热泵因其节能环保、能源的可再生性等优势，被广泛应用于我国夏热冬冷(暖)地区，成为长江流域重要的建筑供暖与制冷方式。近年来，在我国“清洁取暖”政策推动下，空气源热泵作为最适宜的燃煤取暖替代技术，应用地域和供暖面积迅速扩大。在空气源热泵大规模应用过程中，通过性能测试评价其实际应用性能，有利于掌握和发现当前空气源热泵应用存在的薄弱环节和主要问题，为空气源热泵生产、设计与规划提供反馈，对于保障空气源热泵技术的高效应用和可持续发展有重要意义。
空气源热泵实际性能测试主要有长期测试和短期测试2种方法，其中长期测试方法适用于安装有自动监测系统的空气源热泵供暖工程，测试数据能够真实反映空气源热泵的实际运行性能，但其测试经济成本高，测试时间周期长，仅部分典型示范工程或大型商用空气源热泵系统具备长期性能测试的条件，现阶段空气源热泵多应用于中小型建筑，缺乏安装监测系统的条件。短期测试要求在空气源热泵系统负荷率大于60％、机组制热能力达到机组额定值的80％以上工况条件下连续测试24h，以获取典型日空气源热泵供暖性能，由于短期测试方法的经济成本和时间成本相对较低，因此更适用于空气源热泵供暖性能测试，但现有短期测试方法在测试工况选择上仅考虑建筑负荷率，忽视了空气源热泵性能受室外温、湿度耦合影响，无法合理选取测试典型工作，导致了测试无法准确反馈空气源热泵供暖系统的实际运行效果，不利于空气源热泵的可持续发展。
为准确获取空气源热泵供暖系统实际运行效果，关键是构建一种可合理选取不同地域空气源热泵供暖系统短期测试典型工况的方法。
发明内容
本发明针对现有短期测试方法中的局限性，开发一种空气源热泵供暖系统短期测试典型工况的选取方法，该方法综合考虑不同地域供暖季气象工况环境温度、相对湿度耦合分布频率，科学合理的选取空气源热泵供暖系统短期测试典型工况。
为解决上述技术存在的问题，本发明采用下述技术方案：一种空气源热泵供暖系统短期测试典型工况的选取方法，包括以下步骤：
(1)根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》，按照日平均温度≤5℃的起止日期确定各个城市的供暖季日期。对于日平均温度≤5℃天数为零的地区，供暖季日期按日平均温度≤8℃的起止日期选取。根据确定的供暖季起止日期，通过《建筑节能气象参数标准》获取不同城市供暖季典型逐时的气象年室外环境温度、相对湿度数据。
(2)将温湿度多维耦合因素“Ta-RH”降维为“综合室外环境温度Ta'”单一因素，以Ta'为特征参数综合分析温湿度多维耦合因素“Ta-RH”的分布频率。通过不同地域典型内供暖季的逐时气象数据，构建供暖季综合室外环境温度Bin分布图，分析不同Ta'频段的小时数nj；
(3)计算不同地域的不同综合室外环境温度Bin段内机组负荷率依据热泵机组负荷率/>的分布情况，将供暖季Ta'全部Bin段分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个区间段，其中规定热泵机组负荷率88％及以上Ta'区间工况为满负荷率Ⅰ工况，63％-87％热泵机组负荷率Ta'区间工况为高负荷率Ⅱ工况，38％-62％热泵负荷率Ta'区间工况为低负荷率Ⅲ工况，37％热泵负荷率以下Ta'区间工况为最低负荷率Ⅳ工况。
(4)计算Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个工况出现小时数占供暖季总时长的比例，对4个工况进行优化取舍，舍去占比不足5％的工况，剩下的工况保留为空气源热泵供暖季系统短期测试典型工况，明确不同测试典型工况的Ta'区间分布[Ta'min，Ta'max]。
(5)筛选出不同测试典型工况[Ta'min，Ta'max]区间中的室外温度Ta、相对湿度RH数据，结合不同测试典型工况Ta'区间段内工况在空气源热泵结霜图谱中的分布情况，统计不同测试典型工况室外温度、相对湿度下四分位数和上四分位数的整数数值TaL、TaU、RHL、RHU。室外温湿度Ta和相对湿度RH同时满足TaL≤Ta＜TaU、RHL<RH<RHU条件的工况即为空气源热泵供暖系统短期测试典型工况。
本发明的有益效果是：(1)具有良好的适用性，不受地域和气象条件限制；(2)可科学合理的选取空气源热泵供暖系统短期测试典型工况；(3)降低了空气源热泵性能测试工作的经济、时间成本，促进空气源热泵技术的可持续发展。
附图说明
图1是市典型年供暖季室外气象工况在结霜图谱中分布图。
图2是市供暖季综合室外环境温度Bin分布图。
图3是市供暖季不同综合室外环境温度频段机组负荷率分布图。
图4是市不同测试工况的综合室外环境温度频段划分情况图。
图5是市不同测试工况在结霜图谱中分布图。
图6是温湿度多维耦合因素降维为综合室外环境温度的方法示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图针对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
实施例1
(1)分析供暖季综合室外环境温度Bin段小时数nj。以市为例，市典型年供暖季逐时的气象工况在结霜图谱中的分布见图1，对于市供暖季室外气象工况中的非结霜区工况和结露区工况，Ta'＝Ta；对于市供暖季室外气象工况中的结霜区工况，Ta'可由气象工况的环境温度Ta、相对湿度RH计算得到，其计算公式如下：
计算得到市供暖季逐时气象工况所对应的Ta'，以1℃为间隔，统计市典型年供暖季Ta'的Bin分布见如图2。
(2)划分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个Ta'区间。首先统计不同Ta'频段内环境温均值通过下式计算计算统计不同Ta'频段内热泵机组负荷率/>值：
式中室内设计温度Tai为20℃，市采暖设计温度Tad为-7.6℃，采暖设计工况所对应的综合室外环境温度Tad'为-12℃，计算得到市不同Ta'频段内热泵机组负荷率分布情况，依据/>值将供暖季Ta'全部Bin段分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个区间段，见图3。
(3)明确市空气源热泵供暖系统短期测试典型工况分布：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个区间段分别占供暖季总时间3.5％、43.4％、31.9％和21.2％。Ⅰ工况实际试难以捕捉获取，将Ⅰ工况区间并入Ⅱ工况区间，如图4所示。明确市空气源热泵供暖系统短期测试Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ典型工况的Ta'区间分别为-19℃～-5℃、-4℃～4℃、5℃～19℃。Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的Ta'区间内工况在结霜图谱中的分布如图5所示，明确市短期测试典型工况选取结果如下：Ⅱ工况Ta≤-1℃，60％<RH；Ⅲ工况4≤Ta<4℃，RH<45％；Ⅳ工况6≤Ta<12℃，湿度无限制，3个短期测试典型工况选取结果在结霜图谱中的分布情况见图4。
Ta'的确定采用如下步骤方法：
结合图6，在非结霜工况下，当室外环境温度Ta低于名义工况环境温度Tan时，机组制热量也随着室外温度的降低而减小至Qh1，低于名义工况制热量Qhn，如图6中A点所示，根据实测数据，机组在环境温度为Ta的无霜工况运行时的制热量Qh1可根据式(1)计算：
环境温度不变时，随着相对湿度RH增加，当进入结霜工况时，机组性能则受结除霜影响，机组制热量降低至Qh2，如图6中B点所示，该部分性能损失ΔQRH是由相对湿度因素影响造成的，根据实测数据，机组在环境温度为Ta、相对湿度为RH的结霜工况运行时的制热量Qh2可计算公式如(2)：
把由结除霜造成的机组性能损失ΔQRH折算到室外环境温度损失上，如公式(3)所示：
结除霜过程造成的性能损失ΔQRH为室外环境温度不变时机组无霜工况性能与结霜工况性能的差值，可按公式(4)计算：
ΔQRH＝Qh1-Qh2 (4)
最终可得到结除霜等效温降ΔTa2的计算公式如(5)所示：
结霜工况所对应的综合室外环境温度Ta'特征参数值，为室外环境温度Ta与结除霜等效温降ΔTa2的差值，表达式如式(6)所示。
Ta'＝Ta-ΔTa2 (6)
结合公式(2)、(5)、(6)可得，非结霜区综合室外环境温度与环境干球温度相等，即Ta'＝Ta；结霜区任意温湿度工况所对应的特征参数“综合室外环境温度”Ta'可通过计算公式(7)获得。
热泵机组负荷率计算步骤
空气源机组负荷率为该Ta'段内建筑负荷Qj与机组制热能力Qhj之比，其具体计算公式如下：
建筑负荷Qj计算公式如下：
空气源热泵机组制热能力Qhj计算公式如下：
结合公式(8)、(9)、(10)得到热泵机组负荷率计算公式如(13)所示：
Claims (3)
1.一种空气源热泵供暖系统短期测试典型工况的选取方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)按照日平均温度≤5℃的起止日期确定各个城市的供暖季日期；对于日平均温度≤5℃天数为零的地区，供暖季日期按日平均温度≤8℃的起止日期选取；
(2)将温湿度多维耦合因素“Ta-RH”降维为“综合室外环境温度Ta'”单一因素，以Ta'为特征参数综合分析温湿度多维耦合因素“Ta-RH”的分布频率；通过不同地域典型内供暖季的逐时气象数据，构建供暖季综合室外环境温度Bin分布图，分析不同Ta'频段的小时数nj；
(3)计算不同地域的不同综合室外环境温度Bin段内机组负荷率依据热泵机组负荷率/>的分布情况，将供暖季Ta'全部Bin段分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个区间段；
首先统计不同Ta'频段内环境温均值通过下式计算计算统计不同Ta'频段内热泵机组负荷率/>值：
式中，室内设计温度Tai为20℃，市采暖设计温度Tad为-7.6℃，采暖设计工况所对应的综合室外环境温度Tad'为-12℃；
(4)计算Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个工况出现小时数占供暖季总时长的比例，对4个工况进行取舍，舍去占比不足5％的工况，剩下的工况保留为空气源热泵供暖季系统短期测试典型工况，明确不同测试典型工况的Ta'区间分布[Ta'min，Ta'max]；
(5)筛选出不同测试典型工况[Ta'min，Ta'max]区间中的室外温度Ta、相对湿度RH数据，结合不同测试典型工况Ta'区间段内工况在空气源热泵结霜图谱中的分布情况，统计不同测试典型工况室外温度、相对湿度下四分位数和上四分位数的整数数值TaL、TaU、RHL、RHU；室外温湿度Ta和相对湿度RH同时满足TaL≤Ta＜TaU、RHL<RH<RHU条件的工况即为空气源热泵供暖系统短期测试典型工况；
在非结霜工况下，当室外环境温度Ta低于名义工况环境温度Tan时，机组制热量随室外温度的降低而减小至Qh1，低于名义工况制热量Qhn，根据实测数据，机组在环境温度为Ta的无霜工况运行时的制热量Qh1根据式(1)计算：
环境温度不变时，随着相对湿度RH增加，当进入结霜工况时，机组性能则受结除霜影响，机组制热量降低至Qh2，性能损失ΔQRH是由相对湿度因素影响造成的，根据实测数据，机组在环境温度为Ta、相对湿度为RH的结霜工况运行时的制热量Qh2计算公式如(2)：
Qh2＝[0.311Ta+0.043Ta 2+0.005Ta 3-(0.783-1.072×10-4Ta 3)RH0.846-1.647]×Qhn (2)
把由结除霜造成的机组性能损失ΔQRH折算到室外环境温度损失上，如公式(3)所示：
结除霜过程造成的性能损失ΔQRH为室外环境温度不变时机组无霜工况性能与结霜工况性能的差值，可按公式(4)计算：
ΔQRH＝Qh1-Qh2 (4)
最终得到结除霜等效温降ΔTa2的计算公式如(5)所示：
结霜工况所对应的综合室外环境温度Ta'特征参数值，为室外环境温度Ta与结除霜等效温降ΔTa2的差值，表达式如式(6)所示；
Ta'＝Ta-ΔTa2 (6)
结合公式(2)、(5)、(6)，非结霜区综合室外环境温度与环境干球温度相等，即Ta'＝Ta；结霜区任意温湿度工况所对应的特征参数“综合室外环境温度”Ta'通过计算公式(7)获得；
2.根据权利要求1所述的一种空气源热泵供暖系统短期测试典型工况的选取方法，其特征在于：步骤1中，根据确定的供暖季起止日期，获取不同城市供暖季典型逐时的气象年室外环境温度、相对湿度数据。
3.根据权利要求1所述的一种空气源热泵供暖系统短期测试典型工况的选取方法，其特征在于：步骤3中，热泵机组负荷率88％及以上Ta'区间工况为满负荷率Ⅰ工况，63％-87％热泵机组负荷率Ta'区间工况为高负荷率Ⅱ工况，38％-62％热泵负荷率Ta'区间工况为低负荷率Ⅲ工况，37％热泵负荷率以下Ta'区间工况为最低负荷率Ⅳ工况。
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